DE3634499C2 - - Google Patents

Description

In der Schweißtechnik besteht das Bedürfnis, festes Schweißgut auf ökonomischem Weg aufzuschweißen. Beispielshafte Anwendungsgebiete sind die Reparatur verschlissener Bereiche an einem Werkstück, technische Änderungen eines besonderen Bauteils, wie an einem zu bearbeitenden Gesenk und die Korrektur von Bearbeitungsfehlern. Üblicherweise werden relativ große Elektroden, die einen schnellen Auftrag oder ein schnelles Aufschweißen gestatten, für vorstehende Anwendungen benutzt, insbesondere sind damit Schmiedeformen, Preßformen, Trimmformen, Hammerbasen, Rammen, Gesenkhalter, Säulen und Ankerplatten sowie Reparaturen für Ausrüstungsgegenstände der Schwerindustrie bearbeitbar.

Es ist bekannt, für das Formschweißen mit hohem Auftrag Elektroden zu verwenden, die aus einer Nickel-Chrom-Molybdän- Legierung bestehen, einen Durchmesser in der Größenordnung von 19,1 mm aufweisen und auf geeignete Weise mit einem Flußmittel überzogen sind. Elektroden dieser Art ergeben dichte, porenfreie und homogene Schweißaufträge mit einer Rate von etwa 39 kg pro Stunde, wenn mit etwa 2100 A gearbeitet wird. Es ist offensichtlich, daß Auftragsraten in dieser Größenordnung einen Fortschritt auf dem Gebiet des Lichtbogenschweißens unter Schutzgas bedeuten. Jedoch zeigt eine Kostenbetrachtung, daß es notwendig erscheint, größere Mengen an hochwertigem Schweißgut in geringerer Schweißzeit auftragen zu können.

Aus der US-PS 25 20 112 ist es bekannt, eine Vielzahl von Elektroden um eine zentrale Elektrode anzuordnen, wobei der Durchmesser der äußeren Elektroden kleiner ist als der Durchmesser der zentralen Elektrode. Während die in diesem Patent beschriebene Elektrode und ihre Ausgestaltung einen beträchtlichen Fortschritt auf dem Gebiet der Schweißtechnik zu dieser Zeit bedeutete, wurde im Lauf der Jahre nicht nur auf die technische Ausgestaltung in Form von hohlen oder rohrförmigen Zentralelektroden geachtet, sondern nunmehr spielen auch ökonomische Herstellungsfaktoren eine Rolle.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lichtbogenschweißelektrode zu schaffen, mit der in kürzerer Zeit als bisher größere Mengen an hochwertigem Schweißgut aufschweißbar sind.

Eine diese Aufgabe lösende Schweißelektrode ist mit ihrer Ausgestaltung in den Patentansprüchen näher gekennzeichnet.

Erfindungsgemäß wird eine Bündelelektrode geschaffen, die einen zentral angeordneten Stab aufweist, um den herum weitere individuelle Stäbe kreisförmig angeordnet sind. Jeder Stab des Bündels ist außen mit einer neuen Flußmittelzusammensetzung überzogen, wodurch der Auftrag oder das Aufschweißen hoher flüssiger Schweißgutmengen unter Einsatz niedriger Strom- und Spannungswerte erreicht wird. Das auf diese Weise erzeugte verfestigte Schweißgut weist verbesserte physikalische Eigenschaften auf.

Die erfindungsgemäße Flußmittelzusammensetzung weist definierte Mengen an Calciumcarbonat (CaCO₃) und Calciumfluorid (CaF₂) auf. Weitere erfindungsgemäße Metalle oder Mineralien in der Flußmittelzusammensetzung sind Mangan, Silicium, Eisen, Chrom und Silikate. Je nach spezifischem Anwendungsgebiet können in die Zusammensetzung auch definierte Mengen an Molybdän, Wolfram, Nickel, Vanadium und Titan eingearbeitet sein.

Eine erfindungsgemäße Lichtbogenschweißelektrode ist in der Zeichnung näher erläutert, in der zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Bündelelektrode;

Fig. 2 einen Elektrodenquerschnitt und

Fig. 3 ein Blockdiagramm zur Verdeutlichung der Bildung der Bündelelektrodenanordnung.

Fig. 1 und 2 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lichtbogenschweißelektrode. Hierin bezeichnet A die Anordnung einer Bündelelektrode, die eine zentral angeordnete Stabelektrode 10 mit relativ großem Durchmesser umfaßt und um die kreisförmig eine Vielzahl von Stabelektroden 12 mit kleinerem Durchmesser angeordnet sind. Die zentral angeordnete Elektrode 10 ist dabei länger als die übrigen Elektroden 12. Dadurch wird ein Endstück 10 a geschaffen, das als Haltestück für die Elektroden während des Schweißvorgangs dient. Das Endstück 10 a der zentral angeordneten Elektrode 10 ist blank, d. h. es ist nicht mit einem Flußmittel überzogen, wie dies auch bei den gegenüberliegenden Enden der kleineren Elektroden 12 der Fall ist. Eine üblicherweise kuppelförmig ausgebildete Schweißkonstruktion sorgt für einen Stromweg von dem Endstück 10 a der zentral angeordneten Elektrode 10 durch die kleineren Elektroden 12 während des Schweißvorgangs.

Zusätzlich zu seiner Wirkungsweise als Stromführung vom Endstück 10 a zu den äußeren Elektroden 12 sichert die Schweißkonstruktion 14 die kleineren Elektroden 12 an der zentral angeordneten Elektrode 10, wodurch eine integrierte Bündelelektrode A geschaffen wird. Zusätzliche Befestigungsvorrichtungen können in Form eines umhüllenden Streifens oder Bandes 16, bestehend aus einem während des Schweißvorgangs mitzuverarbeitenden Materials, geschaffen sein. Alternativ hierzu oder zusätzlich ist als Befestigungseinrichtung eine Kappe oder ähnliches an der dem Endstück 10 a gegenüberliegenden Ende anbringbar (in der Zeichnung nicht gezeigt).

Die Maße für die erfindungsgemäße Anordnung A hinsichtlich Länge, Durchmesser und auch die Zusammensetzungen der Elektroden 10 und 12 können je nach Anwendung verschieden sein. Die Elektroden 10 und 12 bestehen aus einem Weichstahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, üblicherweise mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,04 bis 0,12% Kohlenstoff in Abhängigkeit von der Kernelektrode 10. Diese Stahlart wird im Handel als C-1004 bis C-1012 bezeichnet. Es können jedoch auch Stähle anderer Kohlenstoffgehalte als geeignet gefunden werden. Die zentral angeordnete Stabelektrode 10 mit größerem Durchmesser kann eine Länge von etwa 121,9 cm und einen annähernden Durchmesser von 6,35 mm haben. Die Stabelektroden 12 mit geringerem Durchmesser haben im allgemeinen eine Länge von annähernd 119,4 cm und einen Durchmesser von ungefähr 2,54 mm.

Die zentrale Stabelektrode 10 ist mit einem Flußmittel 18 und die um sie angeordneten Stabelektroden 12 mit einem Flußmittel 20 beschichtet.

Die Flußmittelüberzüge 18 und 20 werden vorzugsweise auf die Stahlstäbe mit niedrigem Kohlenstoffgehalt durch herkömmliche Beschichtungstechniken aufgebracht, wobei gegenüberliegende Enden der Stabelektroden 10 und 12 zur Aufrechterhaltung des Stromflusses frei von Flußmitteln sind. Ebenso ist das Endstück 10 a der Stabelektrode 10 nicht mit einer Flußmittelschicht 18 bedeckt.

In der Schweißtechnik ist es bekannt, daß Flußmittelüberzüge für Elektroden mindestens drei wichtige Funktionen innehaben. Erstens wird die elektrische Leitfähigkeit über den Lichtbogen durch Ionisation sich entwickelnder Gase erhöht und zweitens erzeugen die Flußmittel ein Schutzgas (CO₂), welches für einen Ausschluß von Luft vom Schweißbad sorgt. Drittens werden durch solche Flußmittelüberzüge zusätzlich schlackenbildende Materialien zu dem geschmolzenen Schweißbad zur Kornverfeinerung und in manchen Fällen auch zur Zugabe von Legierung zu der Schweißstelle zugefügt. Jede dieser bekannten Wirkungsweise der Flußmittelüberzüge für die Elektrode werden durch die erfindungsgemäße Flußmittelzusammensetzung verbessert, insbesondere bei Anwendung mit der neuen Bündelelektrode.

Die Flußmittelzusammensetzung umfaßt dabei folgende Metalle oder Mineralien in den angegebenen Mengenbereichen:

Bestandteil
Mengenbereich
in Gew.-%
Mangan
2-12
Silicium	2-10
Eisen	5-35
CaCO₃	20-60
CaF₂	8-35
Chrom	3-12
Silikat	5-15
Molybdän	0-10
Wolfram	0-10
Nickel	0-15
Titan	0-15
Vanadin	0- 3

Wie sich gezeigt hat, setzt das Calciumcarbonat in der obigen Zusammensetzung einen hohen Anteil an Kohlendioxidgas frei, welches als Schutzgas dient und auch Schwefel in die Oxidform verbrennt. Bekanntlich führt die Anwesenheit von Schwefel während des Schweißens zum Verspröden des verfestigten Schweißgutes sowie zur Erzeugung einer unerwünschten Porosität desselben. Das Calciumfluorid wirkt in der Zusammensetzung als reinigendes Mittel und Lichtbogenstabilisator. Sowohl Calciumcarbonat als auch Calciumfluorid wirken wesentlich als Schlackenbildner, ebenso wie als Lichtbogenstabilisatoren und reinigende Mittel und ergeben in Kombination gute Verbrennungs- oder Schmelzraten und eine hohe Reinigung des Metalls. Ohne Anwesenheit dieser beiden Komponenten in der Zusammensetzung erhält man kein hochwertiges Schweißgut. Ferner ist ohne diese beiden Komponenten nicht mit einem weichen Metallfluß zu rechnen und ein Spillover des Metalls ist zu erwarten.

Für die in der Zusammensetzung verwendeten Metalle und Mineralien kommen eine Vielzahl von Quellen in Frage. Beispielsweise kann Mangan als gepulvertes Metall oder als Ferromangan, eine Legierung, bestehend aus Mangan, Eisen und Kohlenstoff, eingesetzt werden. Das Silicium kann als Legierung, wie beispielsweise Ferrosilicium oder Ferrochromsilicium, vorliegen und das Eisen entweder aus dem Elektrodenkernstab 10 stammen oder getrennt in Pulverform oder als Legierung, wie beispielsweise in Form von Ferrochrom, Ferrosilicium oder Ferromangan, zugegeben werden. Calciumcarbonat kommt als Calcit natürlich vor, ebenso wie Calciumfluorid als Flußspat erhältlich und als weißes Pulver einsetzbar ist. Chrom kann der Zusammensetzung als Metallpulver oder als Ferrochrom, einer aus Eisen und Chrom mit entweder hohem oder niedrigem Kohlenstoffgehalt bestehenden Legierung, zugesetzt werden. Silicium ist in Form von natürlichem Glimmer als Pulver einsetzbar oder kann als Natrium- oder Kaliumsilikat in flüssiger oder Pulverform verwendet.

Die Flußmittelzusammensetzung kann je nach Bedarf Molybdän, Wolfram, Nickel, Vanadin oder Titan enthalten. Falls Molybdän verwendet wird, wird dieses als Metallpulver oder als Ferromolybdänlegierung eingesetzt. Aufgrund seines relativ hoch liegenden Schmelzpunktes wird Wolfram nicht in Metallform verwendet, sondern an dessen Stelle tritt eine Ferrowolframlegierung. Nickel wird als Metallpulver eingesetzt, während Titan entweder als gepulvertes Metall oder als Ferrotitanlegierung bei Bedarf verwendbar ist. Falls Vanadin zugesetzt wird, geschieht dies in gepulverter metallischer Form.

Fig. 3 zeigt die Herstellungsschritte bei der Schaffung einer erfindungsgemäßen Bündelelektrodenanordnung A. Vorzugsweise werden Stäbe mit relativ großen Durchmessern und Stäbe mit kleinen Durchmessern unabhängig voneinander extrusionsbeschichtet und getrocknet, da u. a. der zentral angeordnete Elektrodenstab 10 Mengen an Schlackenbildnern enthält, die sich von denjenigen, die für die umgebenden Elektroden 12 mit kleinerem Durchmesser verwendet werden, unterscheiden. Jedoch wird in beiden Fällen ein blanker Stab aus Weichstahl von vorbestimmter Länge und Durchmesser durch einen konventionellen Extrusionsbeschichter mit einer Geschwindigkeit von annähernd 15,2 m pro Minute zur Beschichtung der gewünschten Menge an Flußmittel geleitet. Vorzugsweise weist dabei ein Stab mit einem Durchmesser von ungefähr 2,54 mm eine Beschichtungsdicke von annähernd 1,18 mm auf, während ein Stab mit einem annähernden Durchmesser von 6,3 mm vorzugsweise mit einer Beschichtungsdicke von 3,81 mm versehen ist.

Als nächster Schritt wird zum Härten und Absetzen der Beschichtung in einem konventionellen Ofen gebrannt. Vorzugsweise wird eine Brennzeit von 3 bis 6 Stunden eingestellt und eine Temperatur, die 399°C nicht übersteigen soll. Die beschichteten und gebrannten Stäbe werden nach dem Abkühlen um den zentral angeordneten Elektrodenstab 10 ringförmig als Stäbe mit kleinerem Durchmesser angeordnet. In dieser Position wird die Stabanordnung mit einer Schweißkonstruktion 14 verschweißt und mit Streifen oder Bändern 16 - wie in Fig. 1 gezeigt - umhüllt. Auch können (nicht gezeigt) beispielsweise Kappen an dem dem Endstück 10 a gegenüberliegenden Bündelende vorgesehen sein. Während bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel in der Zeichnung zwölf kleinere Elektroden 12 um die zentral angeordnete Elektrode 10 vorgesehen sind, kann diese Zahl der kleineren Elektroden 12 je nach Anwendung variieren.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert.

Eine Lichtbogenschweißelektrodenanordnung mit ihren in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausgestaltungen wird nach dem allgemeinen Verfahren gemäß Fig. 3 hergestellt. Die Flußmittelschicht auf der Bündelelektrode A weist die in Tabelle 2 genannte Zusammensetzung auf:

Bestandteil
Ungefähre
Gew.-%
Mangan
6
Silicium	8
Eisen	10
CaCO₃	50
CaF₂	20
Chrom	12
Silikat	4
Molybdän	6
Nickel	8

Der zentral angeordnete Elektrodenstab 10 und die umgebenden Elektrodenstäbe 12 bestehen aus Weichstahl mit den zuvor erläuterten Längen, Durchmessern und Schichtdicken. Beim Schweißvorgang wird die Spannung zwischen etwa 26 bis 30 V und die Stromstärke zwischen annähernd 1800 und 2400 A gesteuert. Dabei werden mehr als 55 kg festen Schweißgutes pro Stunde aufgeschweißt, wobei das Schweißgut nach Verfestigung dicht, frei von Poren und homogen war. Die Produkte aus Nickel-Chrom-Molybdän-Legierung haben eine Härte von 20 bis 45 Rockwell C, eine Zugfestigkeit von etwa 551,6 bis 1379 MPa, eine Dehnung unter Zugspannung von bis zu 25% und eine ausgezeichnete Verarbeitbarkeit.

Die Flußmittelbeschichtungen haben für die Lichtbogenschweißelektroden mindestens drei Funktionen hinsichtlich eines chemischen Schutzes zu erfüllen. Ihre mechanische Schutzwirkung ist darin zu sehen, daß die Flußmittelbeschichtungen die Elektrodenseiten isolieren, so daß der Lichtbogen am Ende der Elektrode in einem abgeschlossenen Bereich konzentriert ist. Es ist wichtig und erleichtert das Schweißen in einer tiefen "U"- oder "V"-Rinne. Zusätzlich erzeugt die Flußmittelschicht an der Spitze der Elektrode einen Kugelabschnitt, Kegel oder eine Schutzhülle, die unter Ausbildung eines mechanischen Schildes wie ein Schmelztopf wirkt, den Lichtbogen konzentriert und ausrichtet, die thermischen Verluste mindert und die Temperatur am Ende der Elektrode erhöht. Bei der Anordnung einer erfindungsgemäßen Bündelschweißelektrode lassen sich durch Kombination der äußeren Elektroden 12 mit kleinem Durchmesser und der zentral angeordneten Elektrode oder des Kerns 10 individuelle Lichtbögen erzeugen, welche Hitze in den zentralen Kern übertragen. Dadurch wird die Strömung des geschmolzenen Metalls erleichtert und ein Überschuß an Metall im Kugelabschnitt vermieden, was sonst zur Erzeugung einer großen Menge an kugelförmiger Übertragung führen würde. Erfindungsgemäß wird das Zusammenbrechen der Kugeln des geschmolzenen Metalles, das die Enden der Elektroden in Form feiner Teilchen verläßt, durch Reduzierung der Adhäsionskräfte zwischen dem geschmolzenen Metall und den Enden der Elektroden erreicht oder durch Änderung der Oberflächenspannung des geschmolzenen Metalls.

Die erfindungsgemäße Anordnung einer Bündelschweißelektrode zum Lichtbogenschweißen gestattet das Aufschweißen von großen Mengen an flüssigem Schweißgut bei Einsatz geringer Stromstärken und Spannungswerten. Das verfestigte Schweißgut weist dabei verbesserte physikalische Eigenschaften auf.

Claims (4)

1. Lichtbogenschweißelektrode mit einer zentral angeordneten Stabelektrode (10) aus Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, einer Vielzahl von Stabelektroden (12) mit kleinerem Durchmesser aus Stahl mit geringen Kohlenstoffgehalt, die in Umfangsrichtung um die zentral angeordnete Elektrode (10) kreisförmig angeordnet sind, einer Einrichtung zum Festhalten der zentralen Stabelektrode (10) und der Stabelektroden (12) mit kleinerem Durchmesser in einer Bündelanordnung, und einer der zentral angeordneten Stabelektrode (10) und den sie umgebenden Stabelektroden (12) fest aufgebrachten Flußmittelbeschichtung (18, 20), dadurch gekennzeichnet, daß die Flußmittelbeschichtung die folgende Zusammensetzung aufweist Bestandteil Mengenbereich in Gew.-% Mangan 2-12 Silicium 2-10 Eisen 5-35 CaCO₃ 20-60 CaF₂ 8-35 Chrom 3-12 Silikat 5-15 Molybdän 0-10 Wolfram 0-10 Nickel 0-15 Titan 0-15 Vanadin 0- 3 und beim Schweißen ein dichtes porenfreies und homogenes Schweißgut in Form einer Nickel-Chrom-Molybdän-Legierung erzeugbar ist.

2. Schweißelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zentral angeordnete Stabelektrode (10) länger ist als die Elektroden (12) mit geringerem Durchmesser und an einem Ende axial übersteht, so daß ein Endstück (10 a) entsteht, und daß eine Schweißkonstruktion (14) vorgesehen ist, die die Elektroden (10, 12) miteinander befestigt und zwischen ihnen den Stromfluß ermöglicht.

3. Schweißelektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Elektrodenstück (10 a) der zentral angeordneten Elektrode (10) keine Flußmittelbeschichtung (18) aufgetragen ist.

4. Schweißelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißkonstruktion (14) an einem Ende der Stabelektroden (12) mit kleinerem Durchmesser angeordnet ist und einen Teil des Elektrodenendes (10 a) der zentral angeordneten Elektrode (10) in Umfangsrichtung umgibt, um einen Stromfluß durch jede der Stabelektroden (10, 12) zu ermöglichen.